精密硬态车削有限元仿真分析要点.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 精密硬态削有限元仿真分析 学 生： 学 号： 指导教师： 专 业：机械设计制造及其自动化 重庆大学机械工程学院 二O一二年六月 Graduation Design (Thesis) of Chongqing University Finite Element Simulation of Precision Hard Turning Undergraduate: Supervisor: Major: Mechanical Design, Manufacture Automation College of Mechanical Engineering Chongqing University June 2012  摘 要 淬硬钢是一类典型的难加工材料，硬度可高达50~65HRC。通常，淬硬钢工件在淬硬热处理前已完成粗加工；精加工则由磨削完成，成本较高且污染严重。精密硬态车削技术采用车削对淬硬钢工件进行精加工，是一种绿色、经济的加工工艺，近年来，得到了越来越多的关注。在阐述国内外研究成果的基础上，本文通过有限元软件ABAQUS对精密硬态车削过程进行了较为深入的研究。 建立了二维正交自由切削有限元模型。在合理假设的基础上，详细讨论了由实际车削加工向二维正交自由切削几何模型转化过程及之间的参数关系。仿真模型中采用了Johnson-Cook材料模型来描述工件的流动应力，刀-屑接触采用修正的库仑摩擦模型。工件单元类型采用CPE4RT单元，结合失真、沙漏控制技术，有效避免了由于材料大变形导致的网格扭曲、畸变等问题。采用了Johnson-Cook材料失效模型和单元删除技术来实现切屑分离。采用显示求解算法进行完全热力耦合分析。 通过有限元软件ABAQUS对淬硬轴承钢GCr15（62HRC）进行了一系列仿真实验。在切削速度180m/min、切削层厚度0.1mm，切削层宽度1mm，刀具前角-5°时得到平均总切削力438.4N，切削温度903℃。同时，研究发现：1、在低速切削下，形成带状连续切屑；在高速切削下，形成锯齿状切屑，并出现了明显的绝热剪切带和切削力波动，观察到在切屑自由表面处微裂纹的出现和扩展现象。2、通过对比完全热力耦合分析和绝热分析两种仿真分析方法发现，通过绝热分析得到的切削温度明显偏高并偏离正常值，造成切削力的较大波动；3、在一定范围内，切削速度的提高会使切削力下降，但在一定临界值（180m/min附近）后，呈现略有上升的趋势。除此之外，切削力、切削温度随切削用量、刀具前角的变化规律基本符合传统车削加工理论。4、在距已加工表面深度约0.1mm以内呈现残余压应力，这对提高工件使用性能具有重要意义。 最后，采用正交试验设计的方法对硬态车削试验进行了初步设计和研究。 关键词：精密硬态车削，淬硬钢，有限元仿真，锯齿形切屑，机理  Abstract Hardened steel is a typical kind of difficult-to-machine materials, its hardness can be as high as 50~60HRC. Generally, hardened steel workpiece has been completed for roughing prior to the hardening treatment and then finishing will be completed by grinding which is high cost and poor environmental protection performance. Cause it utilizes turning for finishing instead of grinding, precision hard turning technology as a green, economic processing technique has earned more and more attention in recent years. Based on describing the research achievements from home and abroad, Precision Hard Turning Technology has been made in-depth study with the finite element software ABAQUS in this paper. A two-dimensional orthogonal-free cutting finite element model is presented. Ba